Preparation of Cenosphere-Derived Lutetium-Aluminosilicate Microspheres as Precursors of Radiation Sources for Brachytherapy

Полые алюмосиликатные микросферы (ценосферы) стабилизированного состава (стеклофаза – 95.4 мас.%; (SiO2/Al2O3) стекло – 3.1), выделенные из летучих зол от сжигания угля, были использованы для получения лютеций-алюмосиликатных микросфер в качестве прекурсоров микросферических источников β-излучения на основе Lu‑177, применяемых для селективной радиационной терапии опухолей. Для включения ионов Lu3+ в алюмосиликатный материал ценосфер была реализована следующая стратегия: (1) химическая модификация глобул ценосфер путём превращения алюмосиликатного стекла в цеолиты с сохранением сферической формы ценосфер; (2) сорбционное концентрирование Lu3+ в цеолитном слое микросфер путем ионного обмена 3Na+ ↔ Lu3+; (3) капсулирование Lu3+ в алюмосиликатной матрице микросфер путём высокотемпературного твердофазного превращения сорбированной формы Lu3+ при 1000 и 1200 оС в малорастворимые формы. Получены цеолитизированные микросферы, содержащие фазу цеолита NaP1 (GIS), и исследованы его сорбционные свойства в отношении Lu3+. Установлено, что сорбционная ёмкость цеолитизированного продукта в отношении Lu3+ составляет около 70 мг/г Lu3+. Обнаружено, что длительное нагревание Lu3+/NaP1-микросфер в неподвижном слое при 1000 оС приводит к кристаллизации фазы моноклинного пиросиликата лютеция (Lu2Si2O7), в то время как в результате быстрого цикла нагрева-охлаждения при 1200 оС в движущемся слое происходит аморфизация цеолитного компонента без формирования кристаллической фазы лютеция с сохранением сферической формы прекурсора. Микросферы как с кристаллической, так и аморфной формами лютеция характеризуются низкой скоростью выщелачивания лютеция (Rn не выше 3×10–7 г/см2×сут) в растворе 0.9 % NaCl, имитирующем состав кровиCoal fly ash hollow aluminosilicate microspheres (cenospheres) of stabilized composition (glass phase – 95.4 wt.%; (SiO2/Al2O3) glass – 3.1) were used to fabricate lutetium-aluminosilicate microspheres as precursors of Lu‑177 bearing β-irradiation sources applied for the selective radiation therapy of tumors. To incorporate Lu3+ ions into cenosphere’s aluminosilicate material, the following strategy was realized: (1) chemical modification of cenosphere globules by conversion of aluminosilicate glass into zeolites preserving a spherical form of cenospheres; (2) the loading of zeolitized microspheres with Lu3+ by means of ion exchange 3Na+ ↔ Lu3+; (3) Lu3+ encapsulation in an aluminosilicate matrix by solid-phase transformation of the Lu3+ sorbed form into insoluble forms under the thermal treatment at 1000–1200 oC. The zeolitized microspheres containing the zeolite phase NaP1 (GIS) were synthesized and their sorption properties with respect to Lu3+ were studied. It was established that the sorption capacity of the zeolitized products is about 70 mg/g Lu3+. It was found that the long-time heating of the Lu3+-loaded zeolite precursor at 1000 oC in a fixed bed resulted in the crystallization of a monoclinic lutecium pyrosilicate (Lu2Si2O7). The fast heating–cooling cycle at 1200 oC in a moving bed resulted in amorphization of the zeolite component without the formation of the lutecium crystal phase preserving the precursor spherical form. The microspheres based on both crystalline and amorphous Lu forms are characterized by the low Lu leachability rate (Rn ≤ 3×10–7 g/cm2×day) in 0.9 % NaCl solution imitating bloo

The Structure of Carbon Gels Obtained by Carbonization of Organic Xerogels Based on Larch Bark Tannins and Pine Cellulose

Впервые предложено получать углеродные гели путем карбонизации органических гелей, синтезированных золь-гель конденсацией формальдегида с таннинами коры лиственницы и целлюлозой сосны. По данным метода БЭТ, введение целлюлозы в состав органического таннин-формальдегидного геля меняет такие характеристики пористой структуры получаемых углеродных гелей, как удельная поверхность, общий объем пор, удельная поверхность микропор, объем микропор, объем мезопор, средний диаметр пор. Развитие пористой структуры углеродных гелей, полученных с использованием добавок растворенной целлюлозы (10 и 20 мас%), происходит в результате формирования мезопор со средним диаметром 22.83 и 21.54 нм. Введение порошка целлюлозного аэрогеля в исходный органический гель способствует формированию микропор в получаемом углеродном геле. Наиболее развитую микропористую структуру имеет углеродный гель, полученный карбонизацией органического таннин-целлюлозного геля, содержащего 20 мас% целлюлозного аэрогеля (удельная поверхность 754 м2/г, из них 80 % (606 м2/г) приходится на поверхность микропор). Методом сканирующей электронной микроскопии установлено, что морфологию поверхности углеродных гелей, получаемых карбонизацией органических таннин-целлюлозных гелей, можно регулировать путем вариации как концентрации целлюлозы, так и её состояния (раствор целлюлозы или порошок целлюлозного аэрогеля) при синтезе исходного органического геляFor the first time, it was proposed to obtain carbon gels by carbonization of organic gels synthesized by sol-gel condensation of formaldehyde with larch bark tannins and pine cellulose. According to the BET method, the introduction of cellulose into the composition of an organic tannin- formaldehyde gel changes such characteristics of the porous structure of the obtained carbon gels as specific surface area, total pore volume, micropore surface area, micro- and mesopore volume, and average pore diameter. The development of the porous structure of carbon gels obtained with the use of dissolved cellulose additives (10 and 20 wt%) occurs as a result of the formation of mesopores with an average diameter of 22.83 and 21.54 nm. The introduction of cellulose aerogel powder into the original organic gel promotes the formation of micropores in the resulting carbon gel. The most developed microporous structure has a carbon gel obtained by carbonization of an organic tannin-cellulose gel containing 20 wt% cellulose aerogel (specific surface 754 m2/g, of which 80 % (606 m2/g) relates to the surface of micropores). Using scanning electron microscopy, it was found that the surface morphology of carbon gels obtained by carbonization of organic tannin-cellulose gels may be controlled by varying both the concentration of cellulose and its state (cellulose solution or cellulose aerogel powder) during the synthesis of the initial organic ge

Dry Residues of Sewage – a Promising Energy Fuel

По профилям кривых дифференциальной сканирующей калориметрии была определена максимальная интенсивность теплового потока, а также эндотермические и экзотермические эффекты горения остатков сточных вод (ОСВ). Иловые остатки сточных вод имеют высокую зольность (более 50 %), что снижает значение низшей теплоты сгорания в рабочем состоянии. Высокое содержание летучих веществ (более 80 %) обеспечивает раннее зажигание при температуре 268 °C. Имея низкую температуру зажигания, они могут быть перспективным добавочным топливом к углю после обогащения с целью существенного снижения зольности и увеличения теплоты сгорания. Низкое значение индекса горения, равное 0,4×10–6, обусловлено низким значением максимальной скорости реакции, равной 13 %/мин, и высокой температурой выгорания, равной 633 °C. Проведенные исследования показали, что сжигание ОСВ не приводит к ухудшению условий эксплуатации топочных экранов в топках котлов из-за высокого содержания минералов в золе с высокой температурой плавления (фосфаты железа и кальция). Высокое содержание фосфора в остатках сточных вод способствует иммобилизации подвижного железа в фосфаты. Такой состав ОСВ будет способствовать уменьшению мобильности тяжелых металлов в шлаковых и зольных остатках совместного сжигания с углями при последующем долговременном хранении. Результаты данного исследования целесообразно использовать при проектировании объектов теплоэнергетикиFrom the profiles of the curves of differential scanning calorimetry, the maximum intensity of the heat flux, as well as the endothermic and exothermic effects of the combustion of wastewater residues (SWS) were determined. Sludge wastewater residues have a high ash content (more than 50 %), which reduces the value of the lower calorific value in the working state. The high content of volatile substances (more than 80 %) ensures early ignition at a temperature of 268 °C. Having a low ignition temperature, they can be a promising additional fuel to coal after enrichment in order to significantly reduce the ash content and increase the calorific value. The low value of the combustion index equal to 0.4×10–6 is due to the low value of the maximum reaction rate equal to 13 %/min and the high burnout temperature equal to 633 °C. The conducted studies have shown that the combustion of WWS does not lead to a deterioration in the operating conditions of the furnace screens in boiler furnaces due to the high content of minerals in the ash with a high melting point (iron and calcium phosphates). The high content of phosphorus in wastewater residues contributes to the immobilization of mobile iron into phosphates. Such a composition of WWS will help to reduce the mobility of heavy metals in slag and ash residues of co-combustion with coal during subsequent long-term storage. The results of this study should be used in the design of thermal power facilitie

Synthesis of Rigid Foams Based on Pine Bark Tannins (Pinus Sylvestris)

В настоящей работе предложено использовать таннины, выделенные этанолом из механически активированной коры сосны, в синтезе твердых пен без добавления формальдегида. Результаты, полученные методом ИК- и УФ‑спектроскопии, свидетельствуют о том, что механическая активация коры приводит к изменению содержания гидролизуемых и конденсированных таннинов в экстрактах коры сосны. В частности, в составе экстрактов, полученных из коры, активированной в энергонапряженной мельнице АГО‑2, сохраняется наибольшее содержание гидролизуемых и конденсированных таннинов, которые составляют 62 и 9,4 мг/г коры соответственно. Методом ГПХ установлено, что полученные таннины коры сосны являются олигомерами: их молекулярно-массовое распределение обладает бимодальной формой с пиками в областях 500 и 1000 г/моль. Синтезированныe соконденсацией с фурфуриловым спиртом таннин-содержащие твердые пены (ТСТП) обладают структурой ячеистого типа с гладкой поверхностью и частично открытыми полостями размерами до 10 мкм, что обнаружено с использованием СЭМ. Насыпная плотность ТСТП находится в пределах 0,64–0,82 г/см3, а их удельная прочность на сжатие составляет около 11,8–19,9 кг/см2. Выявлено, что расчетный коэффициент теплопроводности ТСТП, варьирующийся в диапазоне 0,129–0,185 Вт/(м·К), по сравнению с известными аналогами близок к газобетону с теплопроводностью 0,1–0,3 Вт/(м·К). Термическая стабильность ТСТП в атмосфере аргона свидетельствует о том, что в интервале температур 30–800 °C термическое разложение образцов протекает равномерно без резкой потери массы с низкой энергией активации (10,6–12,6 кДж/моль). Выход углеродных остатков образцов после ТГА/ДСК варьируется в пределах 42–49 мас.%In present paper, it is proposed to use tannins ethanol-isolated out of mechanically activated pine bark in synthesis of rigid foams without formaldehyde addition. The results obtained using IR and UV spectroscopy indicate that mechanical activation of the bark leads to a change in the content of hydrolyzed and condensed tannins in pine bark extracts. In particular, the composition of extracts obtained from bark activated by energy-tensed AGO‑2 retains the highest content of hydrolyzable and condensed tannins, which amount to 62 and 9.4 mg/g of bark, respectively. Using the GPC method, it was established that obtained pine bark tannins being oligomeric: their molecular weight distribution has a bimodal shape with the peaks in 500 and 1000 g/mol regions. Synthesized by so-condensation via furfuryl alcohol tannin-containing rigid foams (TCRF) possess a cellular-type structure with a smooth surface and partially open cavities up to 10 μm, as detected using SEM. The bulk density of the TCRF lies in range 0.64–0.82 g/cm3, and their specific compressive strength is about 11.8–19.9 kg/cm2. It was revealed that calculated thermal conductivity coefficient of the TCRF, which varies in range of 0.129–0.185 W/(m•K), compared to known analogues, is close to aerated concrete with thermal conductivity 0.1–0.3 W/(m•K). Thermal stability of the TCRF in an argon atmosphere indicates that in the 30–800 °C temperature range samples thermal decomposition proceeds uniformly without a sharp mass loss with a low activation energy (10.6–12.6 kJ/mol). The carbon residues yield of the samples after TGA/DSC performed varies in range 42–49 wt.

Some Electrochemical Reactivity Features of a Series of Synthetic Valleriites and Valleriite-Based Ni-containing Composite. Part I: Materials Synthesis and Characterization

Настоящая статья является первой частью работы, направленной на получение, характеризацию фазового и химического состава синтетического валлериита, смешанослойного сульфидно-гидроксидного минерала, состоящего из чередующихся двумерных (2D) слоев с общей формулой [(Fe, Cu)2S2]·x[(Mg2+, Fe2+, Al3+y)(OH)2], где x = 1,24–2,25 и y = 0,00–0,26 с последующим изучением его электрохимического поведения. Рассмотрено влияние добавок никеля, в зависимости от количества которых протекает либо легирование валлериита, либо образование Ni-содержащего композита на основе валлериита. Продукты гидротермального синтеза охарактеризованы с использованием рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии с электронным микрозондовым картированием, рентгеновской фотоэлектронной (РФЭС) и Ожэ-электронной (ОЭС) спектроскопией. С помощью РФЭС показано, что дефицит железа (3+) в сульфидных слоях и концентрация формы Fe3+-OH в гидроксидной подрешетке уменьшаются в образцах, модифицированных алюминием. Найдено, что введение в синтез солей Ni(II) приводит к заметному обогащению поверхностных слоев валлериитов гидроксидной формой Fe3+-OH, а никель присутствует в форме Ni2+-OH, что может указывать на (электро)каталитическую активность материалов, например, в реакции окисления водыThe present paper is the first part of a work aimed at the preparation and characterization of phase and chemical composition of synthetic valleriite, a mixed-layer sulfide-hydroxide mineral, which structure consists of alternating two-dimensional (2D) layers, sharing the common formula of [(Fe, Cu)2S 2]·x[(Mg2+, Fe2+, Al3+y)(OH)2], where x = 1.24–2.25 и y = 0.00–0.26, with their following electrochemical examination. An influence of Ni doping, which gives rise to a doped or composite material, as function of its quantity was investigated. The hydrothermal synthesis products were examined using X‑ray diffraction-based phase analysis (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive spectroscopy (EDS), X‑ray photoelectron (XPS) and Auger-spectroscopy (AES) techniques. Using XPS, both a deficit of Fe within material’s sulfide layers, and Fe(3+)-OH concentration within hydroxide sheets was established to decrease in Al modified samples. A discernible valleriite surface layers enrichment with Fe(3+)-OH hydroxide species was found to arise from Ni(II) salt injection, with Ni presenting within analyzed surface layer as Ni(2+)-OH species. The last fact may render the materials under study potentially (electro)catalytically active in oxygen evolution reactio

Взаимосвязь состава и строения ферросфер скелетного и дендритного типов, выделенных из высококальциевых энергетических зол

Текст статьи не публикуется в открытом доступе в соответствии с политикой журнала.This paper presents a systematic SEM–EDS study of polished sections of individual skeletal and dendritic ferrospheres in the –0.04 + 0.032 mm size fraction, isolated from fly ash from the combustion of brown coal from the Berezovskoe field. The ferrospheres are characterized by a wide range of variations in the macrocomponent composition of local areas. We have identified groups of globules whose overall composition as well as the composition of local areas on their polished sections can be represented by general equations for component concentrations: SiO2 = f(FeO), SiO2 = f(Al2O3), and CaO = f(SiO2). Such equations make it possible to identify the nature of the mineral precursors involved in the formation of the globules. FeO-rich skeletal ferrospheres with low CaO concentration originate from the thermochemical transformation of pyrite and illite associates. Skeletal and dendritic ferrospheres with monotonically increasing CaO and SiO2 concentrations are formed from pyrite and montmorillonite associates, with the participation of a melt containing quartz and decomposition products of Ca-humates of the initial coal. Skeletal and dendritic spinel ferrite crystallization is due to a magnesium aluminate spinel “seed,” resulting from the thermal transformation of illite and montmorillonite from the parent coal. The observed increase in glass phase concentration and the change from the skeletal type of crystallization to a dendritic in the ferrospheres containing ≤64 wt % FeO and ≥6.5 wt % CaO are due to the low concentration of the spinel-forming cations Fe2+ and Fe3+ in the melt and the increase in the percentage of [Fe3+O2]− and [Fe3+2O5]4− ferrite complexes with an increase in the degree of oxidation of the melt

Состав и строение ферросфер блочного типа, выделенных из высококальциевых энергетических зол

Текст статьи не публикуется в открытом доступе в соответствии с политикой журнала.Polished sections of individual ferrospheres 30 to 40 μm in size, with single-block and blocky structures and a variable glass phase content, have been studied using a scanning electron microscope equipped with an energy dispersive X-ray spectrometer system. The results demonstrate that the single-block globules consist of sintered magnetite crystallites containing Al2O3, MgO, and CaO as impurities and are formed from the pyrite of the initial coal. Characteristically, the ferrospheres with a variable glass phase content differ in the composition of local areas on polished sections of the globules, which attests to inhomogeneity of the melt droplets they formed from. We have identified groups of globules whose overall composition, as well as the composition of their local areas, meet general equations for the interrelation between the concentrations of their components: SiO2 = f(FeO) and SiO2 = f(Al2O3). Comparison of the coefficients of the SiO2 = f(Al2O3) dependence for the globules with the silicate modulus (SiO2/Al2O3) of the aluminosilicate mineral components of the coal indicates that the formation of this type of globules involves pyrite–anorthite or pyrite–albite associates containing quartz impurities. The composition of the spinel ferrite in the globules produced with the participation of anorthite comprises FeO, Al2O3, MgO, and CaO in concentrations of 85–96, 1.7–10, 0.1–1.8, and 0.3–2.8 wt %, respectively. In the albite-based globules, the respective concentrations are 81–92, 0.7–5.9, 1.0–5.7, and 2.2–5.6 wt %. The crystallite size and shape are determined by the size of the local melt areas where the total concentration of spinel-forming oxides exceeds 85 wt %

Composition−Structure Relationship of Skeletal−Dendritic Ferrospheres Formed during Industrial Combustion of Lignite and Coal

Текст статьи не публикуется в открытом доступе в соответствии с политикой журнала.The structure−composition relationship of skeletal−dendritic ferrospheres (FSs) isolated from fly ash from the coal and lignite combustion has been studied systematically by scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive Xray spectroscopy. It is shown that illite is the aluminosilicate precursor determining the structure of globules in both cases. The formation of skeletal−dendritic globules occurs due to the “seed” of Al, Mg-ferrospinel that is formed in the thermochemical conversion of illite from initial coals. The dependence CaO = f(SiO2) that reflects the influence of glass-forming components reveals six groups of FSs, the composition of which is represented by linear regression equations. An analysis of SEM images of polished sections from six globule groups reveals that an increase in the concentration of glass-forming components in all groups is accompanied by gradual changes in the structure of globules, from the coarse-grained crystalline skeletal type to the finecrystalline dendritic type with a high content of the glass phase. The observed change in the structure is explained by expansion of the liquation region in the FeO−Fe2O3−SiO2 system, a rise in the oxidation potential, an increase in the proportion of ferrite complexes [Fe3+O2]− and [Fe23+O5]4− in high-calcium melts, and a decrease in the concentration of ferrospinel-forming Fe2+ and Fe3+ ions

Composition–Structure Relationship of Skeletal–Dendritic Ferrospheres Formed during Industrial Combustion of Lignite and Coal

Текст статьи не публикуется в открытом доступе в соответствии с политикой журнала.The structure−composition relationship of skeletal−dendritic ferrospheres (FSs) isolated from fly ash from the coal and lignite combustion has been studied systematically by scanning electron microscopy (SEM) and energy-dispersive Xray spectroscopy. It is shown that illite is the aluminosilicate precursor determining the structure of globules in both cases. The formation of skeletal−dendritic globules occurs due to the “seed” of Al, Mg-ferrospinel that is formed in the thermochemical conversion of illite from initial coals. The dependence CaO = f(SiO2) that reflects the influence of glass-forming components reveals six groups of FSs, the composition of which is represented by linear regression equations. An analysis of SEM images of polished sections from six globule groups reveals that an increase in the concentration of glass-forming components in all groups is accompanied by gradual changes in the structure of globules, from the coarse-grained crystalline skeletal type to the finecrystalline dendritic type with a high content of the glass phase. The observed change in the structure is explained by expansion of the liquation region in the FeO−Fe2O3−SiO2 system, a rise in the oxidation potential, an increase in the proportion of ferrite complexes [Fe3+O2]− and [Fe23+O5]4− in high-calcium melts, and a decrease in the concentration of ferrospinel-forming Fe2+ and Fe3+ ions

Composition of Individual Microspheres in a Finely Dispersed Fraction from Fly Ash after the Pulverized Combustion of Ekibastuz Coal.

Текст статьи не публикуется в открытом доступе в соответствии с политикой журнала.A systematic study of the compositions of individual microspheres with sizes of 90 wt % and FeO 90 wt % and FeO = 3–6 wt %. Mineral precursors of microspheres of group (3), SiO2 + Al2O3 < 90 wt % and FeO to 11 wt %, were mixed-layer illite–montmorillonites with a high degree of cationic substitution with iron and Fe3+ included into interlayer sites